Сценарне планування з імовірнісним прогнозуванням добового електроспоживання споживачів в умовах ринку електричної енергії

Копчиков, Олександр Миколайович

Сценарне планування з імовірнісним прогнозуванням добового електроспоживання споживачів в умовах ринку електричної енергії

dc.contributor.advisor	Калінчик, Василь Прокопович
dc.contributor.author	Копчиков, Олександр Миколайович
dc.date.accessioned	2026-06-29T09:56:46Z
dc.date.available	2026-06-29T09:56:46Z
dc.date.issued	2026
dc.description.abstract	Копчиков О.М. Сценарне планування з імовірнісним прогнозуванням добового електроспоживання споживачів в умовах ринку електричної енергії. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії у галузі знань 14 Електрична інженерія за спеціальністю 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Функціонування ринку електричної енергії України зумовлює необхідність планування електроспоживання непобутового, насамперед промислового, споживача на добу наперед у вигляді погодинного планового графіка відбору електричної енергії, який узгоджується з електропостачальником, що виконує функції сторони, відповідальної за баланс. Відхилення між узгодженим графіком і фактичним відбором набуває грошового вираження через механізм врегулювання небалансів, причому вартість похибки прогнозування залежить від години доби та має асиметричний характер для дефіцитних і профіцитних відхилень. За таких умов якість планування визначається не лише точністю відтворення очікуваного рівня навантаження, а й здатністю своєчасно оцінювати ризик економічно значущих відхилень у критичні години. Це має значення не тільки для фінансового результату окремого підприємства та його електропостачальника, а й для режимної збалансованості ринку, оскільки систематичні небаланси підвищують потребу в балансуючих діях та ускладнюють підтримання надійного функціонування електроенергетичної системи України. У цій роботі термін «добове електроспоживання» використано як позначення електроспоживання в межах доби планування, поданого у вигляді погодинної траєкторії відбору електричної енергії. Саме така інтерпретація відповідає регламентам ринку «на добу наперед», внутрішньодобового ринку та механізму врегулювання небалансів, для яких визначальним є погодинний графік, а не лише інтегральний добовий обсяг. У зв’язку з цим задача прогнозування та планування розглядається як задача формування і супроводу погодинного графіка відбору електричної енергії в межах доби постачання. Практична реалізація добового планування у промисловості ускладнюється тим, що частина режимних рішень має дискретний характер, а зміна навантаження обмежена технологічними, виробничими й організаційними умовами. За наявності жорстких режимів роботи, планових і аварійних зупинок, обмежень на пуски та зупинки обладнання, а також неповного інформаційного забезпечення підприємство не завжди може оперативно компенсувати помилки плану в межах поточної доби. Додаткову складність становить те, що у багатьох випадках доступний лише мінімально достатній інформаційний контур, а саме: дані комерційного обліку, календарно-режимна інформація та обмежений опис виробничих процесів, без повної телеметрії станів окремих агрегатів. За таких умов точковий прогноз є недостатнім для прийняття економічно обґрунтованих рішень, оскільки не описує структури невизначеності та не дозволяє оцінити ймовірність дорогих відхилень у години підвищеної вартості небалансу. Метою дисертаційної роботи є розробка та впровадження вдосконалених методів планування електроспоживання промислового споживача в умовах ринку електричної енергії з урахуванням прогнозу навантаження, ринкових сигналів та асиметрії небалансу. Для досягнення поставленої мети у роботі досліджено особливості участі промислового споживача в ринку електричної енергії через електропостачальника, обґрунтовано вимоги до подання невизначеності в задачі планування, формалізовано інформаційні обмеження практичного застосування прогнозних моделей та розроблено підхід до інтеграції погодинних ринкових сигналів у процедуру вибору планового графіка. У дисертації запропоновано контур прийняття рішень для сценарного планування на добу наперед, який, на відміну від детермінованого планування за точковим прогнозом, використовує траєкторний імовірнісний прогноз навантаження та параметри ринкового середовища для формування погодинного планового графіка і вибору сценарної політики за ризик-орієнтованим критерієм, чутливим до екстремально високих добових витрат. Запропонований контур реалізовано як узгоджену послідовність етапів: формування множини здійсненних сценаріїв роботи підприємства; побудова для кожного сценарію імовірнісного прогнозу добової траєкторії електроспоживання; формування погодинної номінації з урахуванням асиметрії наслідків дефіцитного та профіцитного небалансу; вибір сценарію з урахуванням очікуваних витрат і хвостового ризику. Такий підхід дає змогу перейти від пасивного відтворення навантаження до активного, обґрунтованого планування з урахуванням ризику. Для забезпечення відтворюваності та методичної коректності удосконалено методологію добового планування електроспоживання в частині організаційно-інформаційного забезпечення. На відміну від підходів, у яких структура вхідних ознак формується неявно або залежить від інформації, що фактично недоступна на момент ухвалення рішення, у роботі визначено мінімально достатній склад вхідних даних, формалізовано режимні події у стандартизованому реєстрі та запропоновано детерміноване перетворення цієї інформації у матрицю ознак прогнозного модуля. Це забезпечує причинність, унеможливлює витік майбутньої інформації, підвищує коректність оцінювання моделей та робить результати придатними до практичного застосування у режимі планування на добу наперед. Розроблено практичну реалізацію імовірнісного прогнозування для задачі добового планування шляхом побудови траєкторного ансамблю прогнозних моделей з оцінюванням ваг і монотонним калібруванням прогнозних інтервалів у розрізі календарних класів діб. На відміну від одиничних або некаліброваних прогнозів, запропонований підхід забезпечує контроль фактичного покриття прогнозних інтервалів, зберігає міжгодинні залежності в межах добової траєкторії та підвищує надійність оцінки невизначеності як інформаційної основи ризик-орієнтованих рішень. У роботі показано, що саме траєкторне подання прогнозу є принципово важливим для оцінювання добових витрат і хвостового ризику, оскільки вартість небалансу визначається не лише окремими погодинними похибками, а і їхньою спільною реалізацією в часі. Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше для задачі добового планування електроспоживання промислового споживача запропоновано контур прийняття рішень, у якому траєкторний імовірнісний прогноз навантаження безпосередньо інтегровано з формуванням погодинної номінації та вибором сценарію за ризик-орієнтованим критерієм. Удосконалено методологію організаційно-інформаційного забезпечення планування шляхом визначення мінімально достатнього інформаційного контуру та формалізації режимних подій у стандартизованому реєстрі. Набула подальшого розвитку практична реалізація імовірнісного прогнозування на основі траєкторного ансамблю з калібруванням прогнозних інтервалів у розрізі календарних класів діб, що підвищує надійність оцінки невизначеності в задачах добового планування. Практичне значення одержаних результатів полягає у створенні прикладного, відтворюваного інструментарію для добового погодинного планування електроспоживання промислового підприємства в умовах конкурентного ринку електричної енергії. Розроблено механізм перетворення наявних даних комерційного обліку та мінімального технологічного опису підприємства у формалізований набір керованих сценаріїв роботи на добу. Такі сценарії інтерпретуються як варіанти добової траєкторії навантаження, які можуть бути затверджені особою, що приймає рішення на підприємстві, і переведені у погодинний графік номінації. Це забезпечує стандартизацію дій енергетичного менеджменту в щоденному циклі підготовки, узгодження та коригування графіка, зменшує залежність від неформалізованих рішень і підвищує керованість процесу планування. Важливим результатом роботи є також інтеграція економічної природи небалансу в алгоритм формування погодинної номінації. Запропонована процедура дозволяє не лише оцінювати очікувані витрати, а й відокремлювати години підвищеного ризику, у яких помилка планування має найбільш відчутні наслідки. У цьому полягає прикладна цінність підходу для підприємства: на основі доступних на момент планування даних воно отримує не лише прогноз можливого навантаження, а й формалізовану рекомендацію щодо того, який погодинний графік є економічно доцільним і стійким до ризику небалансу. Експериментальна перевірка на історичних даних підтвердила працездатність запропонованого інструментарію та його переваги порівняно з базовими підходами планування. За результатами ретроспективного тестування на інтервалі 230 діб встановлено, що використання ансамблю моделей з ризик-орієнтованим вибором сценарію забезпечує зниження середніх реалізованих витрат на 16,73 % порівняно з наївною номінацією, зменшення хвостового ризику добових витрат на 38,67 %, зниження вартості небалансу у дорогі години на 16,79 % та скорочення середнього модуля небалансу у дорогі години на 21,05 %. Отримані результати свідчать, що перехід від точкового до імовірнісного подання прогнозу є доцільним не лише з погляду математичної коректності, а й з позицій реальної економічної ефективності в умовах ринку. У підсумку дисертаційна робота формує цілісний науково-методологічний підхід до сценарного планування електроспоживання промислового споживача на добу наперед, у якому поєднано вимоги ринкових регламентів, технічні обмеження виробництва, імовірнісне прогнозування та ризик-орієнтований вибір планового рішення. Запропонований підхід має практичне значення для електропостачання промислових підприємств, оскільки сприяє підвищенню якості погодинного планування, зниженню небалансів і підвищенню обґрунтованості рішень в умовах невизначеності та волатильних ринкових сигналів. Отримані результати обґрунтовують доцільність застосування розробленого інструментарію в щоденному циклі формування та узгодження планового погодинного графіка відбору електричної енергії промислового споживача. Список публікацій: За результатами досліджень опубліковано 9 наукових праць, у тому числі 4 статті у наукових фахових виданнях та 5 тез доповідей у збірниках матеріалів конференцій.
dc.description.abstractother	Kopchykov O.M. Scenario Planning with Probabilistic Forecasting of Consumers’ Daily Electricity Consumption under Electricity Market Conditions. – A qualifying scientific work submitted as a manuscript. Dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy in the field of knowledge 14 Electrical Engineering, specialty 141 Electric Power Engineering, Electrical Engineering and Electromechanics. National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2026. The functioning of the electricity market of Ukraine necessitates day-ahead planning of the electricity consumption of a non-household consumer, primarily an industrial one, in the form of a planned hourly electricity offtake schedule agreed with the electricity supplier acting as the balance responsible party. Deviations between the agreed schedule and the actual offtake acquire a monetary expression through the imbalance settlement mechanism, while the cost of forecasting error depends on the hour of the day and has an asymmetric character for deficit and surplus deviations. Under such conditions, the quality of planning is determined not only by the accuracy of reproducing the expected load level, but also by the ability to assess in a timely manner the risk of economically significant deviations during critical hours. This matters not only for the financial performance of an individual enterprise and its electricity supplier, but also for the operational balance of the market, since systematic imbalances increase the need for balancing actions and complicate the maintenance of the reliable operation of the electric power system of Ukraine. In this study, the term “daily electricity consumption” is used to denote electricity consumption within the planning day, represented as an hourly trajectory of electricity offtake. This interpretation corresponds to the rules of the day-ahead market, the intraday market, and the imbalance settlement mechanism, for which the hourly schedule, rather than only the integrated daily volume, is decisive. Accordingly, the forecasting and planning task is considered as the task of forming and maintaining an hourly electricity offtake schedule within the delivery day. The practical implementation of daily planning in industry is complicated by the fact that some operating decisions are discrete in nature, while changes in load are constrained by technological, production, and organizational conditions. In the presence of rigid operating modes, planned and emergency shutdowns, restrictions on equipment start-ups and shutdowns, as well as limited informational support, an enterprise cannot always promptly compensate for planning errors within the current day. An additional difficulty is that, in many cases, only a minimally sufficient information framework is available, namely commercial metering data, calendar and operating-mode information, and a limited description of production processes, without full telemetry of the states of individual units. Under such conditions, a point forecast is insufficient for making economically justified decisions, because it does not describe the structure of uncertainty and does not allow the probability of costly deviations during hours of elevated imbalance cost to be assessed. The aim of the dissertation is to develop and implement improved methods for planning the electricity consumption of an industrial consumer under electricity market conditions, considering the load forecast, market signals, and imbalance asymmetry. To achieve this aim, the study examines the specific features of an industrial consumer’s participation in the electricity market through an electricity supplier, substantiates the requirements for the representation of uncertainty in the planning task, formalizes the informational constraints of the practical application of forecasting models, and develops an approach to integrating hourly market signals into the procedure for selecting the planned schedule. The dissertation proposes a decision-making framework for day-ahead scenario planning which, unlike deterministic planning based on a point forecast, uses a trajectory-based probabilistic load forecast and market environment parameters to form an hourly planned schedule and to select a scenario policy according to a risk-oriented criterion sensitive to extremely high daily costs. The proposed framework is implemented as a coherent sequence of stages: forming a set of feasible enterprise operating scenarios; constructing for each scenario a probabilistic forecast of the daily electricity consumption trajectory; forming an hourly nomination schedule taking into account the asymmetry of the consequences of deficit and surplus imbalances; and selecting a scenario with due regard to expected costs and tail risk. Such an approach makes it possible to move from passive reproduction of the load to active, wellgrounded planning with due regard for risk. To ensure reproducibility and methodological correctness, the methodology of daily electricity consumption planning has been improved in terms of organizational and informational support. Unlike approaches in which the structure of input features is formed implicitly or depends on information that is in fact unavailable at the moment of decision-making, the dissertation identifies the minimum sufficient set of input data, formalizes operating events in a standardized register, and proposes a deterministic transformation of this information into the feature matrix of the forecasting module. This ensures causality, prevents future information leakage, increases the correctness of model evaluation, and makes the results suitable for practical application under dayahead planning conditions. A practical implementation of probabilistic forecasting for the daily planning task has been developed by constructing a trajectory ensemble of forecasting models with weight estimation and monotonic calibration of prediction intervals across calendar day classes. Unlike single or uncalibrated forecasts, the proposed approach provides control over the actual coverage of prediction intervals, preserves inter-hour dependencies within the daily trajectory, and increases the reliability of uncertainty assessment as the informational basis for risk-oriented decisions. The dissertation shows that the trajectory-based representation of the forecast is fundamentally important for assessing daily costs and tail risk, since the cost of imbalance is determined not only by individual hourly errors, but also by their joint realization over time. The scientific novelty of the obtained results lies in the fact that, for the first time for the task of daily electricity consumption planning of an industrial consumer, a decision-making framework has been proposed in which a trajectory-based probabilistic load forecast is directly integrated with the formation of the hourly nomination schedule and the selection of a scenario according to a risk-oriented criterion. The methodology of organizational and informational support for planning has been improved through the definition of a minimum sufficient information framework and the formalization of operating events in a standardized register. The practical implementation of probabilistic forecasting based on a trajectory ensemble with calibration of prediction intervals across calendar day classes has been further developed, which increases the reliability of uncertainty assessment in daily planning tasks. The practical significance of the obtained results lies in the creation of an applied, reproducible toolkit for day-ahead hourly planning of electricity consumption by an industrial enterprise under the conditions of a competitive electricity market. A mechanism has been developed for transforming available commercial metering data and a minimal technological description of the enterprise into a formalized set of controllable operating scenarios for a day. Such scenarios are interpreted as variants of the daily load trajectory that may be approved by the decision-maker at the enterprise and converted into an hourly nomination schedule. This ensures the standardization of energy management actions in the daily cycle of schedule preparation, coordination, and adjustment, reduces dependence on informal decisions, and increases the controllability of the planning process. An important result of the study is also the integration of the economic nature of imbalance into the algorithm for forming the hourly nomination schedule. The proposed procedure makes it possible not only to assess expected costs, but also to identify hours of increased risk in which a planning error has the most substantial consequences. This constitutes the practical value of the approach for the enterprise: based on the data available at the planning stage, it receives not only a forecast of possible load, but also a formalized recommendation as to which hourly schedule is economically justified and robust to imbalance risk. Experimental verification on historical data confirmed the practical viability of the proposed toolkit and its advantages compared with baseline planning approaches. According to the results of retrospective testing over an interval of 230 days, the use of an ensemble of models with risk-oriented scenario selection ensured a reduction in average realized costs by 16.73% compared with naive nomination, a reduction in the tail risk of daily costs by 38.67%, a reduction in imbalance cost during expensive hours by 16.79%, and a reduction in the average absolute imbalance during expensive hours by 21.05%. The obtained results indicate that the transition from a point forecast to a probabilistic representation of the forecast is advisable not only from the standpoint of mathematical correctness, but also from the standpoint of real economic efficiency under market conditions. In summary, the dissertation forms an integrated scientific and methodological approach to day-ahead scenario planning of electricity consumption by an industrial consumer, in which the requirements of market regulations, technical production constraints, probabilistic forecasting, and risk-oriented selection of a planning decision are combined. The proposed approach is of practical significance for the electricity supply of industrial enterprises, as it contributes to improving the quality of hourly planning, reducing imbalances, and increasing the soundness of decisions under conditions of uncertainty and volatile market signals. The obtained results substantiate the feasibility of applying the developed toolkit in the daily cycle of forming and agreeing upon the planned hourly electricity offtake schedule of an industrial consumer. List of publications: The results of the research have been published in 9 scientific works, including 4 articles in scientific professional journals and 5 conference abstracts in conference proceedings.
dc.format.extent	195 с.
dc.identifier.citation	Копчиков, О. М. Сценарне планування з імовірнісним прогнозуванням добового електроспоживання споживачів в умовах ринку електричної енергії : дис. … д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Копчиков Олександр Миколайович. – Київ, 2026. – 195 с.
dc.identifier.uri	https://ela.kpi.ua/handle/123456789/81981
dc.language.iso	uk
dc.publisher	КПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.place	Київ
dc.subject	ринок електричної енергії
dc.subject	ринок «на добу наперед»
dc.subject	промисловий споживач
dc.subject	енергоменеджмент промислового підприємства
dc.subject	добове планування електроспоживання
dc.subject	погодинний графік електроспоживання
dc.subject	прогнозування електроспоживання
dc.subject	часові ряди
dc.subject	сценарне планування
dc.subject	траєкторний імовірнісний прогноз
dc.subject	оцінювання невизначеності
dc.subject	ризик-орієнтоване планування
dc.subject	небаланс
dc.subject	асиметрія небалансу
dc.subject	хвостовий ризик
dc.subject	electricity market
dc.subject	day-ahead market
dc.subject	industrial electricity consumer
dc.subject	industrial energy management
dc.subject	day-ahead electricity consumption planning
dc.subject	hourly electricity consumption schedule
dc.subject	electricity consumption forecasting
dc.subject	time series
dc.subject	scenario planning
dc.subject	trajectory-based probabilistic forecasting
dc.subject	uncertainty quantification
dc.subject	risk-oriented planning
dc.subject	imbalance
dc.subject	imbalance asymmetry
dc.subject	tail risk
dc.subject.udc	621.311.15.016.3
dc.title	Сценарне планування з імовірнісним прогнозуванням добового електроспоживання споживачів в умовах ринку електричної енергії
dc.title.alternative	Scenario Planning with Probabilistic Forecasting of Consumers’ Daily Electricity Consumption under Electricity Market Conditions
dc.type	Thesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів

Зараз показуємо 1 - 1 з 1

Назва:: Kopchykov_dys.pdf
Розмір:: 6.16 MB
Формат:: Adobe Portable Document Format

Завантажити

Ліцензійна угода

Зараз показуємо 1 - 1 з 1

Назва:: license.txt
Розмір:: 8.98 KB
Формат:: Item-specific license agreed upon to submission
Опис:

Завантажити

Зібрання

Дисертації (ЕП)
Дисертації (вільний доступ)